肖 恒, 顧蘊(yùn)松, 孫之駿
(南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院 非定??諝鈩?dòng)力學(xué)與流動(dòng)控制工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016)
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈是指在飛行過程中繞其縱軸自旋的導(dǎo)彈[1-2],能夠通過一個(gè)控制手段實(shí)現(xiàn)俯仰和偏航控制[3],這使得該類導(dǎo)彈的操縱和控制單一,簡化了導(dǎo)彈控制機(jī)構(gòu),增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。為了有效提供控制力和力矩,這類氣動(dòng)布局一般采用鴨式布局[4]。鴨式布局旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈的氣動(dòng)特性主要由兩方面構(gòu)成:一是由導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流作用,二是從導(dǎo)彈鴨舵上脫落的尾渦和彈體、下游舵面的相互作用[5]。對(duì)于這類旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈,彈體表面處于復(fù)雜的氣流中,由于導(dǎo)彈的旋轉(zhuǎn),導(dǎo)彈上游的鴨舵脫落的尾渦被動(dòng)地纏繞在彈體周圍,形成繞導(dǎo)彈軸線方向的旋轉(zhuǎn)渦系[6]。在有迎角的情形下,從鴨舵脫落的旋轉(zhuǎn)渦系會(huì)與彈體及尾翼發(fā)生相互作用[7],改變彈體表面及尾翼翼面流動(dòng)狀態(tài),導(dǎo)致導(dǎo)彈氣動(dòng)與控制特性的變化。復(fù)雜的氣流耦合作用使得此類導(dǎo)彈的氣動(dòng)特性具有明顯的非定常、周期性和非線性等特點(diǎn),增加了其氣動(dòng)特性研究的難度[8-9]。
圖1 彈體周圍渦系數(shù)值模擬結(jié)果[9]
此類旋轉(zhuǎn)模型的表面壓力測量面臨著諸多困難:一方面,模型旋轉(zhuǎn)帶來的復(fù)雜流動(dòng)導(dǎo)致模型表面壓力變化復(fù)雜,對(duì)壓力測量系統(tǒng)要求很高;另一方面,模型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的離心、振動(dòng)引入干擾信號(hào)。
為了獲得這類旋轉(zhuǎn)模型表面壓力的周期變化,國外研究人員研究了多種不同的測量方法。
Miller[10]在研究無翼旋轉(zhuǎn)體馬格努斯效應(yīng)的過程中,為避免出現(xiàn)模型旋轉(zhuǎn)帶來的影響,設(shè)計(jì)了一種特殊的測壓方法。該方法將壓力傳感器固定在彈體內(nèi)部支撐件中,通過氣密件與旋轉(zhuǎn)的外殼相隔。試驗(yàn)時(shí),彈體外殼旋轉(zhuǎn),在特定的相位角下壓力傳感器與彈體表面的壓力孔連通,從而進(jìn)行壓力測量。該方法解決了傳感器本體旋轉(zhuǎn)帶來的離心效應(yīng),獲得了旋轉(zhuǎn)模型固定相位下模型表面壓力,但是這種方法無法連續(xù)測量彈體旋轉(zhuǎn)1個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化情況。另外,這種測量方法也僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)單通道的測量,難以實(shí)現(xiàn)模型表面的同步測量。
針對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片表面壓力測量,Bliss等[11]采用毛細(xì)鋼管連接遠(yuǎn)端傳感器測量,但是該方案中壓力傳輸管路十分復(fù)雜,壓力信號(hào)經(jīng)過長距離的傳遞后,壓力幅值和動(dòng)態(tài)特性衰減十分明顯,具有測量原理上的缺陷。隨后Kwon等[12]對(duì)該測量方案進(jìn)行了改進(jìn):將壓力傳感器設(shè)計(jì)在葉片模型內(nèi),然后利用很短的毛細(xì)軟管將表面測點(diǎn)與傳感器連接。然而,旋轉(zhuǎn)離心力的作用使得傳感器的測壓薄膜受到周期性作用力,引入了不可避免的動(dòng)態(tài)信號(hào),影響了測量結(jié)果。
非接觸式快速響應(yīng)的PSP也得到了廣泛的應(yīng)用[13~15],陳子龍等[16]利用PSP技術(shù)對(duì)跨聲速條件下壓氣機(jī)的葉柵表面壓力進(jìn)行了測量,獲得了葉柵表面整體的壓力分布特征。通過這種壓力測量方法,可以獲得模型瞬態(tài)表面壓力分布,分辨率較高,但是這種測量方法受溫度影響較大,并且依然需要提供參考?jí)毫?duì)壓力敏感材料進(jìn)行標(biāo)定。
為解決這類旋轉(zhuǎn)模型表面多點(diǎn)同步的非定常壓力測量問題,本次研究設(shè)計(jì)了嵌入式無線8通道壓力測量系統(tǒng),利用該系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈模型表面壓力進(jìn)行測量,對(duì)該技術(shù)在超聲速試驗(yàn)條件下的應(yīng)用可行性進(jìn)行驗(yàn)證。
本次研究使用的模型是FM-3旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈模型改進(jìn)構(gòu)型[6], 整個(gè)導(dǎo)彈模型分為3個(gè)部分:彈體頭部、中部和尾端旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。其中,嵌入式無線測壓模塊安裝于彈體頭部,以盡量減少測壓管路引入的壓力信號(hào);作為模型最為復(fù)雜和重要的部分,彈體中部不僅安裝有模型同步運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),同時(shí)也是舵片安裝位置和測壓分布區(qū)域;模型的尾端支撐著整個(gè)模型,該部分安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪組,驅(qū)動(dòng)整個(gè)模型旋轉(zhuǎn),如圖2所示。
圖2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈模型剖視圖
圖3 模型在風(fēng)洞中的安裝示意圖
模型上共分布有8個(gè)測壓點(diǎn),#1、#2、#3測壓點(diǎn)沿著彈體周向分布,#2、#4、#5沿著彈體軸向分布,#6、#7、#8測壓點(diǎn)位于彈體頭部,如圖4所示。
該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈模型最大的特點(diǎn):能夠?qū)崿F(xiàn)鴨舵和彈體的同頻旋轉(zhuǎn),并且其鴨舵最大偏角為10°。 因此,導(dǎo)彈模型旋轉(zhuǎn)一周的過程中,在不同相位,舵片的偏角各不相同。
圖4 測壓點(diǎn)的分布示意圖
圖5 導(dǎo)彈模型旋轉(zhuǎn)一周過程中舵片的偏角變化
本次試驗(yàn)是在南京航空航天大學(xué)NH-1高速風(fēng)洞中進(jìn)行的。NH-1風(fēng)洞是暫沖式直流下吹型風(fēng)洞(見圖6),馬赫數(shù)范圍Ma=0.3~3.0;試驗(yàn)段尺寸為1.58 m(長)×0.6 m(寬)×0.6 m(高);試驗(yàn)段兩側(cè)壁為實(shí)壁,上、下壁根據(jù)試驗(yàn)情況可選擇不同壁面。
圖6 NH-1高速風(fēng)洞示意圖
本次研究使用的微型嵌入式無線測壓系統(tǒng)的壓力測量模塊長10 cm、寬3.8 cm、高2.5 cm。該測壓系統(tǒng)共由8個(gè)測壓傳感器(Pressure Transducer,簡稱PT)組成,量程為30 PSI,相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 嵌入式無線測壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
該嵌入式無線測壓模塊由以下部分組成:控制信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)、控制信號(hào)接收系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、壓力傳感器和存儲(chǔ)系統(tǒng)。
圖7 嵌入式無線測壓模塊
1.3.1 測壓系統(tǒng)靜態(tài)特性
圖8所示是無線測壓系統(tǒng)8個(gè)通道的校核結(jié)果。各個(gè)通道的滿量程誤差低于5/10 000,誤差小于100 Pa,說明該無線測壓系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)測量特性和良好的測量精度。
圖8 壓力傳感器的靜態(tài)校核結(jié)果
1.3.2 測壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性
由于本次試驗(yàn)是對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈模型表面壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量,因此,需要對(duì)該嵌入式測壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)衰減和延遲特性進(jìn)行校核。
圖9(a)所示為該無線測壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)衰減特性。從圖中可以看到,在低頻階段(0~400 Hz),壓力信號(hào)基本沒有衰減;當(dāng)頻率逐漸增大(大于400 Hz),信號(hào)出現(xiàn)衰減,并且隨著信號(hào)頻率增大(低于1 kHz),衰減逐漸增大,但是衰減量依然維持在較低水平(小于1%)。
圖9(b)所示為無線測壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)延遲特性。當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率增大時(shí),系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)延遲逐漸增大,在350 Hz時(shí)達(dá)到最大值(測試范圍內(nèi)),動(dòng)態(tài)延遲達(dá)到1.16 ms;而當(dāng)頻率進(jìn)一步增大,動(dòng)態(tài)延遲則逐漸降低。
1.3.3 測壓系統(tǒng)離心力靈敏度分析
試驗(yàn)過程中,導(dǎo)彈模型以12 Hz旋轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的離心力;同時(shí),高速旋轉(zhuǎn)也可能導(dǎo)致模型出現(xiàn)振動(dòng)等情況。為了衡量離心力和模型振動(dòng)對(duì)該無線測壓系統(tǒng)的影響,在無風(fēng)條件下對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測試。
圖9 壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性
圖10所示是無風(fēng)條件下導(dǎo)彈模型以12 Hz的頻率進(jìn)行空轉(zhuǎn)時(shí),嵌入式無線測壓系統(tǒng)對(duì)#2測壓點(diǎn)的測量結(jié)果(測量環(huán)境的大氣壓為103.60 kPa)??梢钥吹?,測量得到的壓力數(shù)值在103.4~103.8 kPa之間波動(dòng),經(jīng)過計(jì)算分析得到測量結(jié)果如表2所示??梢钥闯?,模型的旋轉(zhuǎn)對(duì)該嵌入式測壓系統(tǒng)的測量精度影響甚微,低于0.2%。
圖10 在無風(fēng)條件下,導(dǎo)彈模型以12 Hz頻率旋轉(zhuǎn)時(shí),#2測壓點(diǎn)的測量結(jié)果
圖11是無風(fēng)條件下導(dǎo)彈模型旋轉(zhuǎn)頻率f=12 Hz條件時(shí),對(duì)#2測壓點(diǎn)壓力信號(hào)進(jìn)行幅頻變換得到的幅頻分布??梢钥吹?,在0~50 Hz內(nèi),信號(hào)并未出現(xiàn)任何與旋轉(zhuǎn)主頻相關(guān)的周期信號(hào)。這也說明,在導(dǎo)彈模型旋轉(zhuǎn)過程中,模型可能的振動(dòng)、離心力對(duì)該測壓系統(tǒng)影響較小,并未引入明顯的周期信號(hào)。
表2 無風(fēng)條件下,f=12 Hz,#2測壓點(diǎn)的測量結(jié)果Table 2 The pressure of No.2 pressure tap (v=0 m/s, f=12 Hz)
圖11 無風(fēng)條件下,f=12 Hz,#2測壓點(diǎn)壓力信號(hào)的幅頻特性
在Ma=1.5的來流條件下,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈模型以f=12 Hz的旋轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn),利用上述嵌入式無線測壓系統(tǒng)測量旋轉(zhuǎn)彈體的表面壓力變化:
(1)
其中:cp為表面壓力系數(shù);p為測量點(diǎn)的壓力,p∞為風(fēng)洞來流的靜壓,q∞為風(fēng)洞來流的動(dòng)壓,單位均為Pa。
在Ma=1.5的來流條件下,不帶舵片的彈體在迎角α=8°、f=12 Hz 條件下進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),得到單獨(dú)彈體旋轉(zhuǎn)過程中表面壓力變化情況。
在同一車次的壓力數(shù)據(jù)中,選取其中20個(gè)周期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相位平均處理,得到導(dǎo)彈模型旋轉(zhuǎn)一周各個(gè)相位點(diǎn)上的壓力系數(shù),并計(jì)算出各個(gè)相位的誤差帶寬度,如圖12所示。同時(shí),對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換,得到#8測壓點(diǎn)的幅頻分布。
從圖12中可以看到,該嵌入式無線測壓系統(tǒng)能夠捕捉到彈體表面壓力變化;這20個(gè)周期的表面壓力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差σ在0.006以下,說明在導(dǎo)彈模型旋轉(zhuǎn)過程中,表面壓力變化周期性較好。
從圖13中可以看到,導(dǎo)彈模型的旋轉(zhuǎn)頻率是12 Hz,2倍頻率是24 Hz。這說明:一方面,導(dǎo)彈模型能夠以12 Hz的頻率穩(wěn)定旋轉(zhuǎn);另一方面,嵌入式的測壓系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)跟隨特性,能夠獲得導(dǎo)彈模型旋轉(zhuǎn)過程中表面壓力的變化。
圖12 Ma=1.5、α=8°、f=12 Hz時(shí),彈體旋轉(zhuǎn)一周過程中,#8測壓點(diǎn)的壓力變化
圖13 單獨(dú)彈體表面#8測壓點(diǎn)的壓力信號(hào)的幅頻特性
為了驗(yàn)證該嵌入式無線測壓系統(tǒng)的可靠性,針對(duì)單獨(dú)彈體在Ma=1.5、α=8°、f=12 Hz狀態(tài)進(jìn)行了7次重復(fù)性試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理,得到#8測壓點(diǎn)一個(gè)周期7次試驗(yàn)的結(jié)果,如圖14所示??梢钥吹剑?次重復(fù)性試驗(yàn)過程中,各個(gè)相位下壓力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.01,說明該測壓系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性和可靠性。
圖14 Ma=1.5、α=8°、f=12 Hz時(shí),7個(gè)車次的#8測壓點(diǎn)單周期壓力變化
圖15所示為Ma=1.5、α=8°條件下,帶有舵片的導(dǎo)彈模型以12 Hz的頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí),利用嵌入式無線測壓系統(tǒng)測量得到的舵片下游#1測壓點(diǎn)的1個(gè)周期壓力數(shù)據(jù)。對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換,得到幅頻分布,如圖16所示。
由于舵片的偏角與彈體進(jìn)行同頻運(yùn)動(dòng),極大地改變了舵片下游彈體的表面壓力分布情況(見圖15),使得彈體表面壓力變化十分復(fù)雜,曲線的形狀出現(xiàn)較大差別,峰值的位置和大小均發(fā)生改變。但是,通過對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,依然可以得到模型的旋轉(zhuǎn)主頻(見圖16)。這也證明了該測壓系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性,能夠測量模型表面高動(dòng)態(tài)的復(fù)雜壓力變化。
圖15 Ma=1.5、α=8°、f=12 Hz時(shí),舵片下游 #2測壓點(diǎn)壓力變化
圖16 彈體表面#2測壓點(diǎn)壓力信號(hào)的幅頻特性
通過本文的試驗(yàn)研究分析,可以得到如下結(jié)論:
(1) 該嵌入式無線測壓系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)測量精度和動(dòng)態(tài)跟隨特性,靜態(tài)測量誤差小于0.05%,動(dòng)態(tài)延遲小于1.16 ms。
(2) 該嵌入式無線測壓系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)跟隨特性,能夠捕獲旋轉(zhuǎn)模型表面壓力變化;系統(tǒng)具有較好的可靠性,壓力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.01。
(3) 該測壓系統(tǒng)能夠捕獲旋轉(zhuǎn)彈體舵片下游的表面壓力變化情況,為該類動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈的風(fēng)洞試驗(yàn)研究提供了一種研究手段,同時(shí)也為分析這類旋轉(zhuǎn)飛行導(dǎo)彈的氣動(dòng)特性提供了新的方法。
致謝:感謝南京航空航天大學(xué)鮑繼發(fā)技師、張強(qiáng)、趙航、趙冬凱等在試驗(yàn)過程中給予的寶貴幫助。